Способ динамической настройки динамически настраиваемого гироскопа

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано при создании гироскопических приборов на базе динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ) в морской, воздушной, наземной, скважинной навигации. Способ включает динамическую настройку в схеме «электрической пружины», когда датчики угла (ДУ) ДНГ замкнуты через усилитель на соответствующие обмотки датчиков момента, при этом переменный сигнал ДУ одной оси модулируют сигналом прямоугольной формы частотой f_т и производят измерение реакции ДНГ от этого сигнала по другой оси. Питание привода гиромотора осуществляют от генератора с регулируемой частотой f_гм, которую последовательными приближениями меняют до тех пор, пока реакция ДНГ на сигнал частотой f_т не станет равным нулю, что означает, что осуществлена динамическая настройка: f_гм=f_рез, подвес безмоментен, его результирующая жесткость равна нулю. Техническим результатом является повышение стабильности настройки.

 

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано при создании гироскопических приборов на базе динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ) в морской, воздушной, наземной, скважинной навигации.

Известен способ динамической настройки ДНГ на базе схемы "электрической пружины", в которой сигналы с датчика угла (ДУ) подаются через обратную связь на соответствующие обмотки датчика моментов (ДМ). Регулируя значения моментов инерции (или жесткости подвеса или скорость вращения привода гироскопа), добиваются равенства нулю результирующей жесткости подвеса, контролируя падение напряжения на эталонных резисторах в цепи обратной связи ДУ - ДМ. Способ принят за прототип и описан в монографии Д.С.Пельпор, В.А.Матвеев, В.Д.Арсеньев "Динамически настраиваемые гироскопы". -Москва, "Машиностроение", 1988, стр.234, включает в себя использование схемы "электрической пружины" и заключается в том, что сигнал с ДУ гироскопа через усилитель, построенный по определенному алгоритму, подается на ДМ гироскопа и приводит его в нуль. Недостатками способа прототипа являются методы регулировки динамической настройки, которые возможны в разобранном гироскопе и невозможны при регулировке и эксплуатации. Задачей настоящего изобретения является автоподстройка ДНГ в условиях эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что регулируется частота привода гироскопа по реакции ДНГ на переменный сигнал, который можно отличить от помех.

Анализ возможных уводящих моментов ДНГ, сравнение их с аналогичными в классических гироскопах (моменты, зависящие от ускорения основания или гравитационных ускорений, моменты, не зависящие от ускорения основания, момент сухого трения в опорах подвеса, момент вязкого трения, моменты вибрационной природы, моменты тяжения токоподводов, моменты магнитной природы, температурные возмущения) свидетельствуют о преимуществах ДНГ по сравнению с другими типами гироскопов [Д.С.Пельпор, В.А.Матвеев, В.Д.Арсеньев «Динамически настраиваемые гироскопы».- Москва, "Машиностроение", 1988, стр.65-94. Л.З.Новиков, М.Ю.Шаталов «Механика динамически настраиваемых гироскопов». - Москва, «Наука», 1985, стр.31-49].

При всех положительных качествах ДНГ существует один принципиально присущий этому гироскопу источник уводящего момента: упругий восстанавливающий момент при угловых отклонениях маховика от вала. Этот момент, органически присущий ДНГ, полностью устранить или сделать малым невозможно. Угловую жесткость по конструктивным соображениям нельзя сделать очень маленькой. Угловое рассогласование либо при использовании ДНГ в системе гироскопической стабилизации, либо в системе с обратной связью через ДМ вряд ли можно сделать менее 1 угл. сек. Расчеты показывают, что это соответствует уходу порядка 1-10 град/ч, что недопустимо много. Использование ДНГ в точных системах неразрывно связано с компенсацией упругого момента. Есть различные системы компенсации, однако наиболее плодотворной оказалась идея динамической компенсации, когда при отклонении маховика упругий момент компенсируется инерционным моментом карданового кольца, создавая «безмоментный» подвес. Инерционный момент оказывается пропорциональным квадрату угловой частоты вращения ротора гироскопа.

К=1/2(а+b-с)(2πf_гм)²,

где К - коэффициент так называемой " инерционной положительной жесткости",

a, b, с - моменты инерции кольца относительно его осей,

(2πf_гм)² - угловая частота вращения ротора гироскопа.

Это позволяет производить настройку скоростью вращения привода гироскопа и поддерживать ее с большой стабильностью.

В настоящее время детально разработана теория и конструктивы т.н. динамической настройки, т.е. компенсации упругого восстанавливающего момента инерционными моментами подвеса ДНГ. При динамической настройке

F_гм=f_рез, где f_рез - частота резонансной настройки, подвес ДНГ безмоментен, т.е. при отклонении ротора гироскопа на какой-либо угол от нулевого положения по одной оси не возникает моментов по его осям. Это свойство ДНГ обеспечило ему широкое применение.

Однако при отклонениях от динамической настройки ДНГ возникают довольно значительные моменты. Их исключение или существенное уменьшение является предметом предлагаемого способа повышения точности ДНГ, в котором регулируется частота привода гироскопа по реакции ДНГ на переменный сигнал в цепи обратной связи, который можно отличить от помех.

Практика показала возможность нарушения динамической настройки в процессе эксплуатации по различным причинам, в том числе одной из основных причин нарушения динамической настройки является изменение температуры прибора. Это объясняется тем, что при изменении температуры происходит изменение жесткости подвеса и геометрических размеров элементов ротора.

При несоблюдении условия динамической настройки f_гм≠f_рез отклонение ротора от нулевого положения вызывает появление момента, его крутизна довольно велика и зависит от угла отклонения.

Поясним ситуацию, которая возникает при несоблюдении условия динамической настройки. При наличии угла рассогласования собственной оси гироскопа и оси подвеса возникает момент от динамической расстройки, его результирующая крутизна равна разности «упругой» крутизны и крутизны «инерционной»

K=K_упр-1/2(a+b-c)(2πf_гм)²,

М_др=К β, где К_упр - «упругая» крутизна,

1/2(а+b-с)(2πf_гм)² - «инерционная» крутизна,

М_др - момент от динамической расстройки,

β - угол рассогласования собственной оси гироскопа и оси подвеса,

К - результирующая крутизна.

При динамической расстройке результирующая крутизна довольно велика, а угол рассогласования непостоянен и зависит от наводки в цепи обратной связи. Все это приводит к значительной нестабильности моментов гироскопа. Чтобы исключить этот эффект необходима точная динамическая настройка.

Экспериментальная проверка этого положения проведена на гироскопическом приборе, для определения азимутального направления (компасирования) в схеме измерения горизонтальной составляющей вектора угловой скорости вращения Земли, датчиком угловой скорости (ДУС) на базе субминиатюрного ДНГ с автокомпенсацией собственных моментов гироскопа дискретными поворотами корпуса прибора на 180°.

В этом режиме работы ДНГ-ДУС из-за нарушения динамической настройки дает повышенную нестабильность азимутального направления в пуске и от пуска к пуску.

Экспериментально определенная на вышеописанном гироскопическом приборе нестабильность по причине нарушения механизма динамической настройки составила:

в пуске - 10÷20 дуг.мин,

от пуска к пуску - порядка 30 дуг.мин.

В связи с вышеизложенным необходимо производить автоподстройку резонансной частоты практически при каждом пуске и даже при каждом измерении.

Разработана методика автоподстройки в схеме т.н. «электрической пружины»: ДУ ДНГ замкнуты через усилитель на соответствующие обмотки ДМ, питание привода гиромотора осуществляю от генератора с регулируемой частотой f_гм, переменный сигнал ДУ по одной из осей модулируют сигналом прямоугольной формы частотой f_т, и производится измерение реакции ДНГ от этого сигнала по другой оси. Частоту f_гм дискретно меняют до тех пор, пока сигнал частотой f_т по второй оси не станет равным нулю.

Это означает, что осуществлена динамическая настройка:

f_гм=f_рез,

при этом подвес безмоментен, он не имеет жесткости:

К=0.

Современные средства информационных технологий позволяют осуществить подбор f_гм и реализовать автоподстройку f_рез в процессе эксплуатации, что существенно поднимает точность компасирования схемы ДУС на ДНГ.

Экспериментально определенная на вышеописанном гироскопическом приборе нестабильность в определении азимута при осуществлении перед каждым пуском настройки резонансной частоты по описанной методике составила:

от пуска к пуску - не более 1 дуг. мин.

Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность разработанной методики настройки резонансной частоты.

Способ динамической настройки динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ), работающего в режиме электрической пружины, согласно которому сигналы с датчиков угла (ДУ) подают через обратную связь на соответствующие обмотки датчиков момента, отличающийся тем, что в одной оси ДНГ переменный сигнал обмотки ДУ модулируют переменным сигналом прямоугольной формы частотой f_т, затем производят измерение реакции ДНГ на этот сигнал по другой оси, при этом частоту питания привода гиромотора f_гм, изменяют дискретно методом последовательных приближений до тех пор, пока сигнал частотой f_т по второй оси не станет равным нулю.